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MMDS发射天线的分类与应用
一、MMDS发射天线的分类
1、 按场形分类。根据MMDS发射天线工程覆盖区域的形状不同,选择相应的天线波束图形(又称场形),大致的分类有:
a.全向天线         b.半向天线         c.扇形波束天线
d.8字形天线       e. 270°天线       f.特殊赋形波束天线
2、 按天线单元层数分类
    按天线单元层数分类,实际是按天线增益或按天线俯仰波瓣宽度分类。因为天线单元层数只是阵列天线的术语,而且天线各层之间的距离选择不同,也使按层分类的提法不能说明天线的使用状态。在MMDS发射天线中,除采用阵列式外,还有许多是口径辐射型天线,因此按天线或按天线增益俯仰波瓣宽度分类更确切些。
    天线是一个无源设备,在方位方向图确定后,它的增益就只跟天线的高度有关。但是,工程使用中,不是增益越高越好,它是根据俯仰覆盖角θ来确定的。
    天线是一个无源设备,在方位方向图确定后,它的增益就只跟天线的高度有关。但是,工程使用中,不是增益越高越好,它是根据俯仰覆盖角θ来确定的。θ的计算参考下图:θ=θ1-θ2=acr tgH1\D1-arctgH2\D2式中H1为发射天线与最近距离接收点天线之间的高度差;H2为发射天线与最远距离接收点天线之间的高度差;D1为发射天线与最近点接收天线之间的水平距离;D2为发射天线与最远点接收天线之间的水平距离。根据绝大多数实际工程需要,发射天线的俯仰波束宽度应在2°~10°之间,尤以4°~10°为最常用。<4°的天线应慎用。因为波束宽度的最大点应照射在最远接点的位置。这样,实际利用到的波束只有天线波束的下半部分。(如右图)
不同工作原理的MMDS发射天线千差万别

    对于全向天线来说,选择10~13dB的天线增益是合适的,大于13dB增益的天线一定要慎用。工程中因使用高增益发射天线而使工程设计失败的例子很多。


3、 按天线工作原理不同分类
由于实现电波辐射的原理不同,MMDS发射天线可分类为:

4、 按工作频率和带宽分类
    按工作频率分有S-Band,X-Band,Ku-Band和U-段几个频段,而宽带视传输节目数有差别,调幅邻频24套电视节目的标准带宽为200MHz。在FM系统中,带宽还要宽。因此有宽带、窄带之分。
    由于不同工作原理的天线,在不同工作频段、不同带宽、不同增益、不同方向图的要求下,各有所长,也各有所短。因此,针对不同要求,就要采取不同的设计方案。带宽通常用相对带宽:

在S-Band,△f≤5%称为窄带,△f>5%为宽带,200MHz的相对宽带≈8 % ,属宽带。

二、不同要求的天线方案比较
1、 全向天线
    全向天线水平极化:可以用轴缝隙阵列、波导缝隙阵列、圆波导缝隙阵列或水平振子 阵列、喇叭阵列、灯塔形天线来实现。其工作带宽受增益因素的限制。由于全向天线主要靠增加高度使俯仰波瓣宽度变窄来提高增益,而且由于俯仰覆盖的限制,通常不需要太高的增益(≤14dB)。因此水平极化实际的全向天线大多采用同轴缝隙和波导缝隙阵列天线来实现。而圆波导缝隙由于带宽很窄而不太使用。其它天线形式要么结构复杂,要么增益不易达到要求而较少采用。如振子阵列常在低频段(U,S-Band)低增益状况下采用。典型的水平极化全向天线,以美国安德鲁和西安恒达微波公司的产品为代表,前者采用同轴缝隙,三点馈电,三单元圆周辐射其最大特点是方位方向图不圆度<1dB。在每个缝隙边缘要加一个激励螺钉,增加了调试难度;后者采用波导缝隙,单点式馈电,二单元圆周辐射,其单点馈电带宽为6.5%;双点馈电带宽为8.5%。其最大特点是天线内部损耗小,信噪比好,抗雷击能力强,方位方向图不圆度为3.5dB,满足<4dB要求。二者的综合性能指标不相上下;从带宽和电性能上比较,除结构复杂外,喇叭天线阵列的带宽可达20%以上。全向天线垂直极化可以采用波导缝隙和振子阵列,双锥天线、灯塔天线和喇叭阵列来实现。双锥天线可以有十多个倍频程带宽,增益低在0dB左右,灯塔形天线有最好的不圆度,但体积大,喇叭阵列则结构较复杂,纵向体积大。以前两种天线为主要代表。由于振子阵列的馈电结构复杂,同轴损耗较大,从辐射机理上不如波导缝隙直接。这两种型式的垂直极化全向天线以西安恒达微波公司和美国安德鲁公司的产品为典型,安德鲁采用振子阵列,而恒达公司采用波导缝隙阵列,其特点及区别,与前面水平极化天线分析相同。全向天线圆极化可以采用圆波导缝隙阵列、圆极化喇叭和螺旋天线阵列来实现。但圆波导缝隙带宽较窄。
2、 270°和180°半向天线,以波导缝隙、同轴缝隙为最佳,但同轴缝隙只能实现水平极化,而波导缝隙则水平、垂直极化均可实现。国外有采用振子阵列加幅相调控的办法来实现,其技术较难掌握,性能上有顾此失彼的地方。作者认为不是上佳方案。国外还有人用反射挡板的方法来实现不同角度的控制,从使用角度看是可以的,但从天线原理上看不是正规方案,综合指标尚差些。270°、180°半向天线仍以西安恒达微波公司和美国安德鲁公司产品为代表。
3、 8字形和椭圆形方向图天线
    西安恒达微波公司研制的8字形和椭圆形波束天线,采用波导缝隙阵列,具有良好的电气结构、防雷击综合性能。
4、 15°~150°扇形波束天线,从电气性能及带宽上看,最好的扇形波束天线是喇叭形天线,其缺点是Gain略低。常见的笼式或箱式扇形波束天线是一种短抛物柱面天线,有人叫弓形天线或抛物盒式天线,其特点是可以做到高增益,但VSWR≤2,增益、频率响应差,是中继和近距离覆盖的应用型产品。喇叭形和笼式、箱式扇形波束天线水平极化可以做到15°~150°;而垂直极化只能做到<90°的波束宽度。MMDS发射天线不是增益越高越好。波导缝隙及振子阵列加反射板的方案可以实现>90°的扇形波束天线。高性能的VSWR、方向图、增益、带宽、频率都很好的扇形波束天线,应采用喇叭阵列天线。西安恒达微波公司的高性能喇叭阵列天线有如下主要性能: HD-2527MHAA型,Φ=15°~150°,θ≈4.5°,Gain25~15dB,VSWR≤1.50,Pcw≤500W

三、MMDS发射天线选用注意事项
1、 所选天线方向图形应尽量与工程设计的服务区形相近。(图示说明)
2、 根据俯仰服务角θ,选取合适的天线增益。
3、 天线输入接头在300W功率以下,应选用N-50K标准同轴接头,便于在国内外仪表上进行检测。功率>500W,可选用的接头。
4、 天线的安装高度,要根据服务区地形,服务半径计算确定,当俯仰角(图1)θ1较大时,天线安装高度H不必太高。全向天线增益应先用<12dB。
5、 全向天线安装时,一定注意天线的垂直度。因为天线的不垂直度△θ直接使天线波瓣一边上翘,一边下倾,使接收效果一边好,一边差。且作用距离降低。半向天线和扇形波束天线,可以调整天线的安装倾角,以照顾全服务区的综合性能。
6、 在天线照射的前方2m以内,不要有金属杆、塔、柱阻档,由于杆、塔、柱一方面 对电磁波的辐射进行阻挡,另一方面,电磁波在其表面会激励起新的感应电流,它与天线辐射形成新的合成方向图,而破坏原先设计的方向图。 7.当不能在塔顶安装时,用一个功分器和两个半向天线在塔的两侧安装也是可以 的。这两个天线,可以是同极化,也可以是正交极化。在后一种情况下,交叉地带的接收天线要调整接收极化,使极化匹配,使接收效果最佳。

四、常见天线的方向图形
1、 天线方位方向图;参见图3.5 a)
2、 极坐标表示的天线俯仰方向图;(略)
3、 直角坐标表示的俯仰方向图。参见图3.5 b)

五、HD型MMDS发射天线型号、规格
仅录S-Band(其它波段500~40,000MHz内可供),H-水平极化,V-垂直极化。

波导
缝隙
天线

HD-2527HOA16

HD-2527VOA16

360°(全向)

HD-2527HUA16

HD-2527VUA16

270°(宽心形)

HD-2527HCA16

HD-2527VCA16

180°(半向)

箱式

HD-2527BRA15°~150°H

HD-2527BRA15°~90°V

扇形波束天线

笼式

HD-2527LRA15°~150°H

HD-2527LRA15°~90°V

喇叭

HD-2527MHA15°~150°H

HD-2527MHA15°~90°V

喇叭阵列

HD-2527MHAA15°~150°H

HD-2527MHAA15°~90°V

振子阵列

 

HD-2527CVOA10

360°(全向)



 

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